Stress-strain Response of an Unsaturated Volcanic Ash Soil From Colombia

技術要約：コロンビア産の不飽和火山灰土における応力-ひずみ応答

問題提起
火山灰由来の土壌（アンディソル）は、コロンビアのアンドエス地域に広く分布しており、重要な都市および産業インフラを支えている。これらの残留土は広く存在しているにもかかわらず、その独特な鉱物組成（アロフェンやイモゴライトが支配的）、高い可塑性、高い空隙比、および含水率の変化に対する敏感さにより、特有の地盤工学的課題を提示している。これらの特性は、しばしば斜面崩壊や居住地域における亀裂の原因となる。吸水圧（サクション）とセメンテーションがせん断強度に及ぼす影響は認められているものの、特定の含水率の変化や再構成プロセス（再締固）が、せん断パラメータ（$c'$ および $\phi'$）やせん断弾性係数（$G$）の観点から、どのように応力-ひずみ応答に影響を与えるかについては、依然として知識の空白が存在する。

研究手法
本研究では、液性限界74%、塑性指数37%の、高可塑性シルト（MH）に分類される、コロンビアのマニサレスから採取された火山灰由来の土を用いた。研究では、異なる条件下での機械的挙動を評価するために、直接単純せん断（DSS）試験を採用した。

実験プログラムは、以下の変数を含む12件の試験で構成された：

• 調製手順： 2つの異なる締固め履歴を比較した：
  • 単一締固め (SC): 乾燥させた材料を最適含水率で一度締固めたもの。
  • 二重締固め (DC): 事前に締固め、乾燥させ、分散させた後、再度締固めたもの（再締固プロセスをシミュレート）。
• 水理状態： サンプルは、以下の3つの初期含水率条件で試験された：
  • 最適含水率 ($w_{opt}$)。
  • 締固め後、3日間の風乾状態 ($w_{dry}$)。
  • 締固め後の飽和状態 ($w_{sat}$)。
• 応力レベル： 有効法線応力50、100、200 kPaの下で試験を実施した。
• 特性評価： 鉱物分析（SEM、EDS）、粒度分布（レーザー回折およびヒドロメーター法）、および土壌水分特性曲線（SWRC）の決定を行った。

主な結果

1. 再締固の影響 (DC vs. SC):

   • 二重締固めプロセスは不可逆的な構造変化を誘発し、その結果、単一締固めと比較して、より高い最大乾燥単位容積重量（$\gamma_d$ が10.5 kN/m³に対し11.4 kN/m³）と、より低い最適含水率をもたらした。
   • DCサンプルは、SCサンプルよりも有意に高いせん断強度を示した。有効粘着力（$c'$）は37.2 kPa (SC) から 73.4 kPa (DC) へと増加し、内部摩擦角（$\phi'$）は25.7°から30.6°へと上昇した。
   • DCサンプルは、100 kPaでのせん断中に、過圧密土に特徴的な膨張挙動（軸方向の膨張）を示した。一方、SCサンプルは一般に圧縮挙動を示した。
   • 正弦せん断弾性係数（$G$）は、すべての応力レベルにおいて、DCサンプルの方が一貫して高かった。

2. 含水率と吸水圧の影響:

   • 低拘束圧 (50 kPa): 含水率（およびそれに伴う吸水圧）の変化は、せん断強度およびせん断弾性係数に対して無視できる程度の影響しか与えなかった。
   • 高拘束圧 (100 および 200 kPa): 含水率が減少する（吸水圧が増加する）につれて、せん断強度とせん引弾性係数の大幅な増加が観察された。これは、吸水圧が、より高い応力レベルにおいて有効応力に寄与する重要な状態変数であることを裏付けている。
   • 体積変化応答: 飽和サンプルは、正規圧密土と同様の収縮挙動を示した。対照的に、不飽和サンプル（最適および風乾状態）は、毛管力により100 kPaにおいて膨張傾向を示した。しかし、200 kPaでは、拘束圧によって最適状態のサンプルにおける膨張が抑制され、圧縮挙挙へと戻った。

3. 鉱物学的および物理的特性:

   • SEMおよびEDS分析により、ハロイサイト（円筒状の管状形態）の存在が確認され、アロフェンおよびイモゴライトの存在が推察された。
   • 粒度分布分析により、乾燥が一次粒子を安定したより粗いクラスターへと凝集させることが明らかになった。レーザー回折は凝集した分布を示したが、分散剤を用いたヒドロメーター法ではより小さな粒子径を示し、これら土壌の測定における手法の敏感さを浮き彫りにした。

意義および結論
本研究は、火山灰土の機械的挙動が、その締固め履歴と初期の水理状態の両方によって根本的に支配されると結論付けている。

• 構造的敏感性: 乾燥に伴うアロフェンおよびイモゴライト構造の不可逆的な崩壊は、組織の永久的な変化をもたらし、再締固時に乾燥密度とせん断強度を著しく増大させる。
• 吸水圧依存性: マトリック吸引圧（吸水圧）によるせん断強度および剛性への寄与は、拘束圧に依存する。低応力下では無視できるものの、高応力レベルにおいては、吸水圧は安定性を劇的に向上させる。
• 安定性への影響: これらの知見は、降雨による飽和がもたらす重大なリスクを強調している。これらの堆積物における吸水圧の消失は、膨張挙動から収縮挙動への転換と強度の低下を引き起こし、熱帯環境における斜面崩壊や泥流の高い感受性に対するメカニズム的な説明を提供する。

著者らは、これらの材料を用いた土構造物の安定性解析において、有効粘着力、内部摩擦角、および体積応答を決定付ける要因となる、具体的な水理状態および締固め履歴を考慮する必要があると強調している。